輸油氣管網(wǎng)系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計與實施

孫佳楠

（遼河油田油氣集輸公司,遼寧 盤錦124010）

石油、天然氣是二十一世紀(jì)新型能源,其需求量和供給量正在逐年上漲,石油、天然氣的輸送是通過輸氣管傳遞的,隨著新油田、新氣田的發(fā)現(xiàn),以及老油田和老氣田新區(qū)塊的開發(fā),多條輸油氣管組成了一個龐大的輸油氣管網(wǎng)系統(tǒng)。就中國而言,中國長輸油氣管網(wǎng)系統(tǒng)具有規(guī)模龐大、覆蓋范圍比較廣泛、里程較長等特點(diǎn),總輸油氣里程已經(jīng)超過了100000km[1]。由此可見輸油氣管網(wǎng)系統(tǒng)的建設(shè)是一項資本較大的工程,并且在建設(shè)過程中需要對整體輸油其管網(wǎng)進(jìn)行合理布局,否則會提高系統(tǒng)運(yùn)行成本,即油氣運(yùn)輸成本。但是目前現(xiàn)有的輸油氣管網(wǎng)系統(tǒng)存在著諸多問題,比如輸油氣管網(wǎng)系統(tǒng)布局不夠合理,傳統(tǒng)系統(tǒng)對于管網(wǎng)拓?fù)溥B接關(guān)系、站場幾何位置確定的不夠準(zhǔn)確[2]。此外輸油管網(wǎng)系統(tǒng)部分參數(shù)也存在這問題,其中包括輸油氣管徑、壁厚等,這類管網(wǎng)參數(shù)的不合理將直接增加輸油氣管網(wǎng)系統(tǒng)的運(yùn)行成本,同時還會造成系統(tǒng)對油氣供應(yīng)的緩慢,在實際運(yùn)行過程中經(jīng)常出現(xiàn)停供現(xiàn)象,油氣供應(yīng)達(dá)不到市場需求,傳統(tǒng)系統(tǒng)已經(jīng)無法滿足輸油氣管網(wǎng)運(yùn)行需求,為此提出輸油氣管網(wǎng)系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計與實施。

1 輸油氣管網(wǎng)系統(tǒng)布局優(yōu)化

1.1 建立優(yōu)化模型

針對輸油氣管網(wǎng)系統(tǒng)布局方面,本文通過建立優(yōu)化模型的方式,進(jìn)而對輸油氣管網(wǎng)系統(tǒng)布局起到優(yōu)化的作用。在此過程中,首先,建立目標(biāo)函數(shù),設(shè)目標(biāo)函數(shù)的表達(dá)式為F,則有公式（1）。

公式（1）中,a 指的是輸油氣管網(wǎng)建設(shè)所需成本；b 指的是輸油氣管網(wǎng)建設(shè)路徑選擇；c 指的是輸油氣管網(wǎng)長度。通過公式（1）,得出輸油氣管網(wǎng)系統(tǒng)布局優(yōu)化模型的目標(biāo)函數(shù)。以此,為輸油氣管網(wǎng)系統(tǒng)布局優(yōu)化的基礎(chǔ)函數(shù)。但由于上述輸油氣管網(wǎng)系統(tǒng)布局優(yōu)化模型的目標(biāo)函數(shù)沒有考慮到“井站”之間的隸屬關(guān)系,導(dǎo)致輸油氣管網(wǎng)系統(tǒng)布局優(yōu)化為局限優(yōu)化而并非全局優(yōu)化[3]。基于此,本文通過考慮到“井站”之間的隸屬關(guān)系,結(jié)合輸油氣管網(wǎng)系統(tǒng)布局現(xiàn)實場地條件因素,得到完整的輸油氣管網(wǎng)系統(tǒng)布局優(yōu)化模型。設(shè)其表達(dá)式為F1,則有公式（2）。

公式（2）中,n 指的是“井站”之間距離；i 指的是輸油氣管網(wǎng)系統(tǒng)布局優(yōu)化節(jié)點(diǎn)個數(shù),為實數(shù)；μ 指的是輸油氣管網(wǎng)的變量權(quán)重。通過公式（2）,得出輸油氣管網(wǎng)系統(tǒng)布局優(yōu)化模型表達(dá)式。由此可見,輸油氣管網(wǎng)系統(tǒng)布局優(yōu)化與模型中的變量存在直接關(guān)系。因此,可以通過對上述變量的控制,進(jìn)而達(dá)到控制輸油氣管網(wǎng)系統(tǒng)布局的目的[4]。通過建立輸油氣管網(wǎng)系統(tǒng)布局優(yōu)化模型的精準(zhǔn)估算,為輸油氣管網(wǎng)系統(tǒng)布局優(yōu)化提供數(shù)據(jù)模型基礎(chǔ)。但考慮到輸油氣管網(wǎng)系統(tǒng)布局優(yōu)化模型存在廣泛性,下文將對其加以約束,進(jìn)而保證輸油氣管網(wǎng)系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計的精準(zhǔn)度。以此,實現(xiàn)輸油氣管網(wǎng)系統(tǒng)布局優(yōu)化模型的建立。

1.2 提出約束條件

為確保在對輸油氣管網(wǎng)系統(tǒng)布局優(yōu)化的過程中,符合管網(wǎng)運(yùn)行的現(xiàn)場實際需要,將本文上述構(gòu)建的優(yōu)化模型作為基礎(chǔ),對其中各項變量的約束條件進(jìn)行設(shè)置。

首先,針對輸油氣管網(wǎng)系統(tǒng)布局中的集輸半徑約束條件進(jìn)行設(shè)定。為了實現(xiàn)對輸油氣管網(wǎng)系統(tǒng)正常運(yùn)行提供保障,需要對輸油氣管網(wǎng)在傳輸過程中的壓力級制進(jìn)行限制[5]。在各個輸送站調(diào)壓匯集后,其管道起點(diǎn)位置上的壓力會受到一定的影響,因此為確保其運(yùn)行穩(wěn)定,需要對管道進(jìn)行壓降處理,并在處理過程中,控制管道的整體長度范圍應(yīng)當(dāng)如公式（3）所示：

其次,針對輸油氣管網(wǎng)系統(tǒng)布局中的處理量約束條件進(jìn)行設(shè)定。在實際運(yùn)行過程中,每一個集氣站當(dāng)中的天然氣處理量都應(yīng)當(dāng)與該集氣站所管轄范圍內(nèi)的產(chǎn)氣量相同[6]。同時,集氣站由于所處環(huán)境周圍影響因素眾多,因此在實際運(yùn)行中其經(jīng)濟(jì)效益和處理效率都會受到一定的影響。綜合上述兩方面因素,得出輸油氣管網(wǎng)系統(tǒng)布局中的處理量約束條件為：

公式（5）中,Qmin表示為輸油氣管網(wǎng)集氣站的最小處理量；Qmax表示為輸油氣管網(wǎng)集氣站的最大處理量。

最后,針對輸油氣管網(wǎng)系統(tǒng)布局優(yōu)化模型中的取值范圍約束條件進(jìn)行設(shè)定。在本文上述構(gòu)建的優(yōu)化模型當(dāng)中,其決策變量包括拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)關(guān)系、集氣站總數(shù)量,同時還包括集氣站的幾何位置連續(xù)變量。因此,除了對上述兩個變量進(jìn)行約束,以外,還需要對其相應(yīng)的取值范圍進(jìn)行優(yōu)化求解,并得出如公式（6）所指的取值范圍約束結(jié)果：

1.3 布局優(yōu)化模型求解

完成對優(yōu)化模型的構(gòu)建和約束條件的設(shè)定后,對模型進(jìn)行求解。考慮到目標(biāo)函數(shù)具有非連續(xù)性,并且梯度信息不明確,因此,本文采用改進(jìn)遺傳算法實現(xiàn)對輸油氣管網(wǎng)系統(tǒng)的優(yōu)化。針對輸油氣管網(wǎng)系統(tǒng)優(yōu)化模型當(dāng)中的集氣站數(shù)量、集氣站位置以及井站連接關(guān)系,三種主控變量,考慮到在取值空間當(dāng)中主要包含整數(shù)、實數(shù)和0～1 狀態(tài)空間的條件因素,進(jìn)行直接編碼相對困難。因此,本文通過對集氣站的數(shù)量進(jìn)行記錄,并將其作為染色體長度的方式,選用多級聯(lián)參數(shù)編碼的方式,將上述三個主控變量進(jìn)行統(tǒng)一編碼。

2 輸油氣管網(wǎng)系統(tǒng)參數(shù)優(yōu)化

除了要優(yōu)化輸油氣管網(wǎng)系統(tǒng)的整體布局以外,還要對目前輸油氣管網(wǎng)系統(tǒng)中部分管網(wǎng)參數(shù)進(jìn)行合理優(yōu)化。輸油氣管網(wǎng)參數(shù)的優(yōu)化目的主要是降低系統(tǒng)運(yùn)行成本,而輸油氣管網(wǎng)系統(tǒng)運(yùn)行過程中需要投資各種費(fèi)用,其中包括輸油管材費(fèi)用、電伴熱費(fèi)用等,因此此次系統(tǒng)參數(shù)優(yōu)化以系統(tǒng)運(yùn)行費(fèi)用最小為目標(biāo),建立目標(biāo)函數(shù)如下：

公式（7）中,s 表示輸油氣管網(wǎng)系統(tǒng)運(yùn)行投資；sI表示輸油氣管網(wǎng)系統(tǒng)運(yùn)行中管材投資；s2表示輸油氣管網(wǎng)系統(tǒng)運(yùn)行中電伴熱投資；s3表示輸油氣管網(wǎng)系統(tǒng)的其他配套投資。優(yōu)化輸油氣管網(wǎng)系統(tǒng)參數(shù)不僅僅要實現(xiàn)系統(tǒng)運(yùn)行投資最低,在實現(xiàn)該目標(biāo)的同時還要保證油氣穩(wěn)定流動,因此為了保證系統(tǒng)運(yùn)行投資最少的同時,還能實現(xiàn)油氣穩(wěn)定供應(yīng),提出油氣穩(wěn)定流動約束條件。輸油氣管網(wǎng)系統(tǒng)油氣穩(wěn)定流動主要取決于管網(wǎng)內(nèi)的溫度、壓力等參數(shù),因此對其約束可以用以下公式表示：

公式（8）中,W 表示輸油氣管網(wǎng)滿足的水力公式；P1和P2表示輸油氣管網(wǎng)起點(diǎn)和終點(diǎn)的管內(nèi)壓力值；S 表示輸油氣管網(wǎng)滿足的蘇霍夫熱力公式；T1和T2表示輸油氣管網(wǎng)起點(diǎn)和終點(diǎn)的管內(nèi)溫度值。上文提到的優(yōu)化目標(biāo)和約束條件均具有非線性特征,對其求解具有一定的難度,因此此次選取高維粒子群算法對優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)和約束條件進(jìn)行最優(yōu)化求解,將目標(biāo)函數(shù)求得的所有有效解組成一個集合,創(chuàng)建粒子群群體,然后將粒子群群體中任意一粒子帶入到約束條件中,檢驗其是否滿足約束條件,最后將同時滿足兩個公式的結(jié)果求出,即輸油氣管網(wǎng)系統(tǒng)參數(shù)優(yōu)化最優(yōu)解,以此實現(xiàn)輸油氣管網(wǎng)系統(tǒng)參數(shù)優(yōu)化,進(jìn)而完成輸油氣管網(wǎng)系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計。

3 實驗論證分析

實驗選取某區(qū)域輸油氣管網(wǎng)系統(tǒng)作為實驗對象,該系統(tǒng)主要由260 條輸油氣管道組成,其中126 條管道為石油管道,124條為天然氣管道,該輸油氣管網(wǎng)系統(tǒng)負(fù)責(zé)輸送油氣的站點(diǎn)共16個,實驗利用此次提出優(yōu)化方案對該系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化。根據(jù)上文提出的優(yōu)化方案,將系統(tǒng)輸油氣管內(nèi)溫度參數(shù)調(diào)整為12.5℃,管內(nèi)壓力參數(shù)調(diào)整為25.4MPa。優(yōu)化后,令系統(tǒng)向區(qū)域內(nèi)各個油氣集站輸送油氣,記錄每天輸油氣管網(wǎng)系統(tǒng)停止供應(yīng)油氣的時間,將其作為檢驗此次設(shè)計優(yōu)化方案的指標(biāo),對優(yōu)化前后輸油氣管網(wǎng)系統(tǒng)運(yùn)行情況進(jìn)行對比分析,實驗結(jié)果如表1 所示。

表1 優(yōu)化前后輸油氣管網(wǎng)系統(tǒng)停止供應(yīng)時間（min）

從上表可以看出,優(yōu)化后輸油氣管網(wǎng)系統(tǒng)停止供應(yīng)油氣的時間比較短,少于優(yōu)化前輸油氣管網(wǎng)系統(tǒng),因此實驗證明了,此次設(shè)計輸油氣管網(wǎng)系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計比較合理,能夠有效減少油氣停止供應(yīng)時間。

結(jié)束語

本文針對輸油氣管網(wǎng)系統(tǒng)在布局方面和參數(shù)方面存在的問題,提出一套輸油氣管網(wǎng)系統(tǒng)優(yōu)化方案,并且通過對該套優(yōu)化方案的實踐效果分析,證明了此次設(shè)計的輸油氣管網(wǎng)系統(tǒng)優(yōu)化方案具有較高的可行性和可靠性。此次研究對降低輸油氣管網(wǎng)系統(tǒng)運(yùn)行成本、提高輸油氣管網(wǎng)系統(tǒng)開發(fā)的效率具有重要的現(xiàn)實價值,對解決目前市場油氣供不應(yīng)求問題具有重要作用,同時對推動輸油氣管網(wǎng)系統(tǒng)優(yōu)化理論研究的發(fā)展也具有著良好的積極作用。